韋樂平：縱論光通信發(fā)展趨勢 40G網(wǎng)絡(luò)有優(yōu)勢

    在全球通信市場增長放緩的情形下，中國及亞太地區(qū)仍然保持了較高的發(fā)展速度。特別是在中國的光通信市場上，電信運營商持久不衰的投資熱情為制造商創(chuàng)造了巨大的商機，這也使得幾乎所有國際知名通信廠商都將目光更多地投向了中國市場。據(jù)統(tǒng)計，中國光通信市場的年增長率是國民經(jīng)濟增長率的2～3倍，而且在入世、承辦奧運會等有利因素地促進下，預(yù)計這種增長勢頭在未來幾年內(nèi)不會明顯衰減。

　　然而電信業(yè)的發(fā)展并不永遠是“春光明媚”，許多技術(shù)難題和發(fā)展方向?qū)⒃诤艽蟪潭壬蠜Q定電信業(yè) 未來的投資方向和發(fā)展步伐。

　　光通信技術(shù)的亮點

　　光通信發(fā)展的趨勢主要有以下幾點：

　　第一，光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在為適應(yīng)業(yè)務(wù)量的數(shù)據(jù)化趨勢而調(diào)整，中間層正在逐步淡出或者薄化，即消失或越來越薄。比如說ATM將要逐步淡出，但是SDH還將會長久存在，只是變得越來越薄而已。

　　第二，傳輸電路容量繼續(xù)按照光纖定理前進，事實上，傳輸成本在過去的幾年里已經(jīng)下降了幾十倍，這個趨勢還在繼續(xù)，不僅涉及CAPEX，而且還包括OPEX，這是一個大趨勢。目前，運營商關(guān)注的重點是不僅要降低投資成本，而且要降低運營成本，也就是說光通信已經(jīng)不僅作為比特流傳輸，而且在運營上也要有充分的靈活性和高效性，能夠把運營成本降下來。前幾年，人們的努力方向就是把容量做大，把比特成本降低，而現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計則要求不僅是比特成本要降低，而且運營成本也要降低，即將總的投資回報期提前。目前，全球電信運營商在整個資本市場上都遇到了很大困難，惟一能做的兩件事情是：第一是降低成本，第二是增加收入。增加收入并不容易，但是降低成本是可以做到的，也是最現(xiàn)實的，能夠看得到的。企業(yè)在增加收入方面想出了各種各樣的辦法，但是畢竟都不實在，而降低成本是可以實實在在做到的，無論是從軟件還是從硬件上。

　　第三，組網(wǎng)的方式開始從點到點和環(huán)網(wǎng)向網(wǎng)狀網(wǎng)的方向演進，從而改進了組網(wǎng)的效率和靈活性。過去光通信大多數(shù)都是點到點，或者是環(huán)網(wǎng)，但從發(fā)展的眼光來看，由于IP的出現(xiàn)和發(fā)展，要求任意點到任意點的通信，因此網(wǎng)狀網(wǎng)成為更加有效的組網(wǎng)方式，并將會獲得越來越多的應(yīng)用。

　　第四，光聯(lián)網(wǎng)從靜態(tài)方式向智能化的動態(tài)聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展，改進了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的響應(yīng)、生存性和提供實時新業(yè)務(wù)的可能性。人們已經(jīng)不再滿足于靜態(tài)的聯(lián)網(wǎng)方式，而是希望采用動態(tài)的聯(lián)網(wǎng)方式，能夠以更快的速度實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　第五，傳送網(wǎng)正逐漸向業(yè)務(wù)網(wǎng)的方向演進。光靠賣連接已經(jīng)沒有幾年飯可吃了，而且這種方式的成本和利潤越來越低，惟一的辦法是把傳送網(wǎng)從純粹的連接提供者變成各種業(yè)務(wù)的提供者，這就要求我們下功夫?qū)ふ彝黄瓶?，而動態(tài)指配和光交換是關(guān)鍵，當(dāng)然還有一些其他的措施。

　　第六，從網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)來說，形成了兩大不同的發(fā)展方向：一個是網(wǎng)絡(luò)核心，一個是網(wǎng)絡(luò)邊緣。核心網(wǎng)逐漸趨向于傳送層和業(yè)務(wù)層獨立發(fā)展，不太可能把它們?nèi)诤显谝黄?，因為這里面技術(shù)差異、功能要求差異太大了;網(wǎng)絡(luò)的邊緣層則是向傳輸和業(yè)務(wù)融合的多業(yè)務(wù)平臺發(fā)展，即趨向于融合?，F(xiàn)在已有多種技術(shù)選擇方案，在多數(shù)情況下，SDH多業(yè)務(wù)平臺可能是近期最現(xiàn)實合理的主要技術(shù)方案選擇。

　　40G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢

　　下一代光通信的發(fā)展趨勢離不開容量，因為光通信的老本就在容量。容量演進的發(fā)展方向一是時分復(fù)用方式，另一個是波分復(fù)用方式。時分復(fù)用方式即將達40Gb/s,再發(fā)展不是不可能，但從經(jīng)濟技術(shù)綜合的意義來講是不值得的。這樣只有往波分復(fù)用方向發(fā)展。

　　10G從1996年第一次問世以來到今天為止已經(jīng)進行了大規(guī)模的鋪設(shè)，在中國鋪設(shè)的量也相當(dāng)大，中國電信三個大環(huán)網(wǎng)已經(jīng)開通，隨后聯(lián)通、鐵通的大環(huán)也都開通。下一步符合邏輯的想法是發(fā)展40G。那么采用40G有什么優(yōu)勢呢?

　　第一，可以比較有效地使用傳輸頻帶，頻譜效率比較高。

　　第二，減少了設(shè)備的成本，如果40G的成本能降到10G實際成本的3倍以下時，就達到了合理應(yīng)用的程度;如果能夠降到這一點的話，就可能實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用;如果降不到這點，就很難應(yīng)用。今天看來還沒有達到這一步。有的廠家宣布已經(jīng)可以達到4倍于10G的成本，但是我們還沒有看到它的實際應(yīng)用，多數(shù)情況下成本可能達到七八倍左右。

　　第三，減少了OAM的成本、復(fù)雜性以及備件的數(shù)量。這是很明顯的，因為它只用一個網(wǎng)元代替了四個網(wǎng)元，自然簡單了很多。

　　第四，每比特的成本比其他的城域網(wǎng)的方案更加經(jīng)濟。

　　第五，通常單波長可以處理多個數(shù)據(jù)連接，核心網(wǎng)的功能將會大大地增強。因此，隨著路由器有了10G的端口，核心傳送網(wǎng)理應(yīng)轉(zhuǎn)向40G。也就是說傳送網(wǎng)應(yīng)該比路由器接口速率高四倍，這樣組網(wǎng)效率較高。目前中國電信已經(jīng)開始在路由器上裝備10G接口，在上海到杭州的Cisco路由器上已經(jīng)采用了10G接口，不久別的地方也會慢慢跟上來?？赡苡貌涣藥啄辏蠖鄶?shù)骨干路由器的端口都是10G了，在這樣的前提下就會迫使傳輸設(shè)備走向40G。

　　40G傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

　　一，色度色散補償和極化模PMD補償技術(shù)。從理論上看，色度色散代價和極化模色散代價都隨比特率的平方關(guān)系增長，因此40G的色散和PMD容限比10G降低了16倍，做起來很困難。 第二，光信噪比的要求較難滿足。因為整體上說，它比10G要求提高了6dB，差不多要求32dB的光信噪比。這么高的光信噪比如果沒有喇曼放大器，則是很難做到的。

　　第三，調(diào)制格式的選擇。40G調(diào)制是一個很大的難題，有那么多選擇，如NRZ碼、差分相移鍵控RZ碼(RZ-DPSK)調(diào)制方式、光孤子(Soliton)調(diào)制方式、偽線性RZ調(diào)制方式、啁啾的RZ(CRZ)、全譜RZ(FSRZ)、雙二進制，究竟哪一種好呢?目前還沒有結(jié)論?？磥?，短距離傳輸采用傳統(tǒng)的NRZ，而長距離傳輸DPSK最有希望。這種調(diào)制方式的頻譜寬度介于NRZ和RZ之間，比普通RZ碼的頻譜效率高，可以改進色散容限、非線性容限和PMD容限，傳輸距離比普通RZ碼長。這種調(diào)制方式的光信噪比可以比NRZ改進約3dB，有些情況下可能高達6dB,是一種能有效擴展傳輸距離和適合40Gb/s速率的調(diào)制新技術(shù)。

　　第四，超級FEC。其實這是一個非常古老的技術(shù)。1984年，筆者在加拿大學(xué)習(xí)的時候，筆者的一個同學(xué)所做的論文就是FEC。從1984年到現(xiàn)在，已經(jīng)過了18年了，它才開始形成大規(guī)模的應(yīng)用。這個技術(shù)的發(fā)展是很有意思的，在當(dāng)時的條件下，電信采用的是多模系統(tǒng)，但后來轉(zhuǎn)成單模，因而就不需要FEC了。但是隨著光速率達到40G，提高光信噪比的難度越來越大，成本和代價也越來越高，F(xiàn)EC就成為一個非常關(guān)鍵的實用技術(shù)。特別是對于40Gb/s速率，采用帶外FEC已經(jīng)成為關(guān)鍵的使能技術(shù)之一，不僅可以使傳輸距離達到實用化要求，而且在一些短距離傳輸系統(tǒng)上，可以避免實施昂貴復(fù)雜的有源PMD補償。

　　第五，封裝技術(shù)。在40G速率下封裝技術(shù)也成為一個難點。光纖耦合容差僅0.2mm，所以在范圍很寬的溫度下能夠繼續(xù)維持穩(wěn)定工作并不是一件簡單的事。

　　第六，交換機和路由器的接口難度更大，需要非常復(fù)雜的處理能力，包括在40Gb/s速率下實現(xiàn)包基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)量整形、過濾和優(yōu)先。它涉及很多元件，包括成幀器、網(wǎng)絡(luò)處理器、流量工程實現(xiàn)芯片和高速I/O芯片等。預(yù)計其商用化時間比傳輸系統(tǒng)還晚一年。

　　40G傳輸網(wǎng)絡(luò)的材料

　　40G的材料也是一個問題。過去我們習(xí)慣用硅鍺和鎵砷，到了40G時代可能這兩種材料的性能已經(jīng)不能滿足要求了，在很多場合下可能需要采用InP(銦磷)材料了。InP屬于半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族成員，這種材料比硅鍺的電壓低，比鎵砷的功耗低，尺寸非常小，可以小于1mm2，電光效應(yīng)比其他材料都強，而且可以用來構(gòu)成各種有源和無源的集成器件，還可以作為半導(dǎo)體應(yīng)用在超高速電子電路，包括40GB/s速率的驅(qū)動電路等上。在這樣的超高速度下其性能優(yōu)于硅鍺和鎵砷材料。看來InP材料將是40G的首選材料。

　　當(dāng)然它的缺點是制作比較困難，不像硅鍺和鎵砷材料那樣成熟，特別是由于芯片尺寸太小，使得與光纖的耦合變得困難，而且插損大。為了克服這一困難，可以采用錐形結(jié)構(gòu)作耦合來實現(xiàn)InP芯片模斑尺寸與光纖端面的匹配。

　　總之，由于上述種種技術(shù)難點以及電信市場的低迷，40G系統(tǒng)的規(guī)模商用化時間還需要兩年左右的時間，但其終將到來卻是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的趨勢。

　　下一代干線光纖的閃光點

　　光纖作為傳輸媒質(zhì)，為光傳輸提供了巨大而廉價的可用帶寬，在光傳送網(wǎng)的發(fā)展中起著重要作用。特別是光纜的壽命高達20年，一次敷設(shè)后就很難再動，因此光纖參數(shù)的設(shè)計必須要有前瞻性，充分考慮設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。下一代電信網(wǎng)需要支持更大容量、更長距離和更寬頻譜范圍的傳輸，因而開發(fā)敷設(shè)下一代光纖已成為歷史的必然。

　　1993至1995年分別出現(xiàn)了以真波光纖和leaf光纖為代表的G.655光纖，并獲得了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。包括筆者在內(nèi)的多數(shù)人在一段時間內(nèi)認為似乎光纖的研究已經(jīng)到頭了，現(xiàn)在看起來并不是這樣。隨著速率提高到40GB/s以及超長傳輸距離的實施，特別是復(fù)用波長數(shù)的繼續(xù)增加，傳統(tǒng)G.655光纖的弱點已經(jīng)開始顯露。例如低色散斜率光纖的零色散點仍然太高，接近S波段的低端，不利于開放S波段;而大有效面積光纖的高色散斜率和相對色散斜率、高零色散點和過大的有效面積對超高速超大容量系統(tǒng)的進一步發(fā)展更加不利。因此為了適應(yīng)下一代光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，光纖參數(shù)的繼續(xù)優(yōu)化十分必要。目前在干線光纖上有這樣幾個主要發(fā)展趨勢：

　　第一，色散斜率需要進一步降低，以保證低端和高端的色散差不至于過大。筆者一直認為色散斜率一定要小，因為過去只顧C波段，斜率高一點兒無所謂?，F(xiàn)在要擴展到L波段乃至S波段，這個問題就嚴(yán)重了，這方面對大有效面積光纖很不利，其色散斜率高達0.085ps/(nm2·km)。

　　第二，色散值需要繼續(xù)適當(dāng)增加，以保證足以壓制FWM影響,實現(xiàn)更窄的波長間隔。最早的時候G.652光纖的色散值為17ps/(nm·km)，大家認為太大，需要減少，后來出現(xiàn)了G.655光纖。但開始走向另一極端，起初有些光纖的色散值僅1 ps/(nm·km)、2ps/(nm·km)，后來增加到4ps/(nm·km)，目前看來都不夠，現(xiàn)在是160個波長，如果到了300個乃至1000個波長時怎么辦?所以色散值一定要足夠大，但又不能回到原來G.652的值，所以筆者看6～8 ps/(nm·km)是比較合適的，已足以壓抑四波混頻的影響，可以適應(yīng)越來越多的波長通路數(shù)需求。

　　第三，光纖的相對色散斜率需要繼續(xù)減小，以便簡化色散斜率補償，改進補償效率，降低系統(tǒng)成本。這方面大有效面積光纖的弱點很明顯，很難補償。

　　第四，光纖有效面積需要最佳化，從而兼顧非線性損傷和喇曼增益。前幾年多數(shù)人認為大有效面積是好事，而筆者始終認為有效面積要適度，低色散斜率更重要。現(xiàn)在由于喇曼放大器的出現(xiàn)和發(fā)展，大有效面積光纖的喇曼增益低的弱點更加明顯，業(yè)界已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)向低色散斜率，而有效面積趨向比較適中的55～65mm2;

　　第五，零色散點需要繼續(xù)向短波長方向移動(如1400nm附近)，避開S波段，以保證S波段以及C波段和L波段的正常工作。這方面不僅傳統(tǒng)低色散斜率光纖和大有效面積光纖的零色散點均太高，即便是特銳Ultra光纖也太高。

　　上述五個主要發(fā)展方向已經(jīng)導(dǎo)致ITU-T開發(fā)新一代的G.655.B光纖標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)有特銳Ultra光纖、真波Reach光纖和PureGuide光纖問世，其他廠家也都在努力研制這類新一代的干線光纖?？梢韵嘈?，這種新一代的光纖將逐漸成為未來的主導(dǎo)干線光纖。